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​(图)寒武纪大爆发:数亿年生物化石隐藏起源之谜

添加时间:2020-03-22•阅读:人阅读

(图)寒武纪大爆发:数亿年生物化石隐藏起源之谜

据国外媒体报道,罗马诗人奥维德在两千多年前以古希腊和罗马神话为背景,描绘了神话世界中的历史传说,该巨作就是《变形记》。在作品中大量虚构了任务或者真事的变形事件,其中有人物变成各种动物、植物的情节。但是,现实世界中是没有这样的奇迹的,有的只是蝌蚪变成青蛙、毛毛虫变成蝴蝶的事实。想想看,两个完全不同的身体形态和生命周期,却来自一个受精卵发育而来,这肯定是自然界中最奇特的过程之一。如今,生物学家唐纳德威廉姆森认为物种在数亿年前的寒武纪曾经出现杂交转移的现象,从而解释了为什么生物幼虫与成虫之间存在巨大的形态差异。

寒武纪大爆发:数亿年生物化石隐藏起源之谜

所有动物最早的祖先可能源于一个类似于水母幼虫的简单细胞

诗人奥维德的《变形记》就像是一个千年的观察员,亚里士多德也曾试图去了解胚胎生命延续的意义,他认为例如完美的蝴蝶在其出现之前就已经存在,并不因为发生了改变而出现。今天,我们看到昆虫世界中出现的变态发育就是一个很好的解释,比如说蝴蝶。我们同时也知道,这种现象远远超过了当时亚里士多德所认识的。昆虫和两栖动物都是非常熟悉的例子,此外还有惊人的15种独立的海洋生物门,这些都是非常吸引人的地方。科学家发现,在“变形”的海洋无脊椎动物中,存在着各种莫名其妙的变换方式。我们目前能了解到其中一些海洋生物的情况,凭借着几十年的潜心研究,我们正在寻找动物自身发生进化的演变过程。

在海洋历史上,存在着这么一个理论:认为生活在海洋中的生物,在五亿年前发生了较大规模的变态成长,这就是被称为“寒武纪大爆发”。该突变席卷了整个动物王国的世界,并且产生了旺盛的进化趋势。早在19世纪70年代,查尔斯达尔文的朋友兼门生弗朗西斯梅特兰贝尔福(Francis Maitland Balfour)建议:如果我们能跟踪早期海洋生物的有虫主要形式,我们就会发现动物王国的共同祖先。但是,他也意识到不能简单地磨灭海洋生物在缺失环节上的作用,这是因为这些海洋生物以及再别的地方已经出现演化。于是,他开始系统地比较各组海洋生物的幼虫并制定出其中进化的途径。

[导读]生物学家唐纳德威廉姆森认为在寒武纪生物大爆发过程中存在“杂交转移”现象,可以解释为什么海洋生物幼虫与成虫间存在巨大的形态差异。

寒武纪大爆发:数亿年生物化石隐藏起源之谜

成年的水母在水中浮游的情形

弗朗西斯梅特兰贝尔福分析认为:其中存在着一个问题,困扰着揭开海洋生物变态发育的奥秘。通常情况下,一些联系非常紧密的物种存在着各不相同的幼虫,这就说明了,他们并不是从一个源头发生演化而来,但是在某些时候,在后来的进化中形成了第二次形态的改变。对此,贝尔福通过比较分析研究,有些海洋生物源于一个主幼虫时期,可能是一个简单的球形结构,并覆盖着突起,其被称为纤毛。刺胞生物门的幼虫就是这个样子,旗下有两个分类,即水母和水螅,它们是最早出现在化石记录中的动物。

当时,达尔文和其他研究学者分析了他的想法,认为这是一个大胆的分析且很赞赏这个观点,本来想出版一本关于此想法的书籍,但是几年后弗朗西斯梅特兰贝尔福在一次登山事故中死亡,他的工作几乎被人遗忘。然而,在一个世纪前,另一个生物学家举起来这个指挥棒。这个生物学家便是唐纳德威廉姆森(Donald Williamson)。他于20世纪的50年代在英国利物浦大学开始工作,起先他是一名专攻浮游生物的研究人员。他在马恩岛海洋实验室的研究过程中, 就认为海洋生物存在令人眼花缭乱的各种形式以及奇怪的生命周期,尤其是它们的幼虫。

比如,砂海星属的一种幼虫,就是一个类似半透明透光性良好的藻类进行喂养并生长,而且还可以长大四里面长。然后,就会发生某些特别的变化,它就像一个外来的物种侵略者,还是多变造型的成虫,并在幼虫内部的腔体增长,外面的部分就是海星了。幼年的它们还能到处漂浮,而成虫之后变沉淀到海底了,生存和生长,在漆黑的夜晚出现捕捉猎物。同时,幼虫个体一般以都是所谓的素食主义者,存在于表层水体之上。

威廉姆森审视了整个棘皮动物门认为海星是一种棘皮动物,其中还包含了海胆,海蛇,海百合类,威廉姆森对这些动物非常感兴趣。棘皮动物门包括了一些古老的海洋生物,可以说是从寒武纪开始出现。作为幼虫时期,大多是两侧对称的情况,但是它们成年后便成为径向对称了,其中的原因是从幼虫腹腔多功能的干细胞开始发育,使得形态上出现巨大的变化。同样怪异的属于变态发育的还有海鞘,属于脊索动物门,雌雄同体的海鞘在成虫后会长出新繁殖芽,并重新成长,两者是完全分来的,而相当长一段时间将其归类为无脊椎动物。

脊索动物门是一个在动物界高等的生物,顾名思义其背部存在一条脊索,它们有一些基本的功能,比如原始的脊髓,简单的大脑,这些生物大部分时间在大洋的底部。当然,威廉姆森注意到许多幼虫和成虫之间存在着惊人的不匹配现象。由于他不了解贝尔福的早期工作性质,他开始构建幼虫的生命族谱,然后再比较与此相对应的成虫生命族谱。从这些总结中,他提出了一个备受争议的“幼虫转移”理论,他认为这些幼虫与成虫间出现离奇性的不匹配现象是由于这些物种在年代早期,由于一次偶尔的机会形成了杂交种。

换句话说,海洋无脊椎动物的幼虫和成虫形式看起来是完全不同的生物体,正是因为他们的幼虫在演化的过程中出现了杂交的现象。该理论是查普曼和霍尔在1992年提出。这个理论引起了众多生物学家的怀疑,而威廉姆森则进行了一系列关于不同海洋无脊椎动物门类之间是否存在杂交现象的实验。这些实验将可能导致威廉姆森的理论无法适用于在进化论框架下自然杂交的情况,但是却可以在杂交的后代中观察实验是否成功,这也可以说明众多生物学家认真地采纳威廉姆森的理论。

威廉姆森在2006年继续拓展了他的想法,他提出不同物种之间的杂交是一种非常迅速的进化潜力,这可能有助于解释动物王国本身的起源之谜。持该论点的论文曾刊登在伦敦林奈学会动物学杂志上。现代动物的先驱者首次出现在5.45至5.25亿年前,在加拿大布尔吉斯页岩和类似的岩床上发现的化石表明,这些先驱者的到来并没有预示着接下来会发生大规模的进化时期。而布尔吉斯页岩地区则是一处对生物学家而言是不寻常且惊人的地方,在生物学家古尔德后期著的书籍中提到,该地区就像是一个迅速开花的基因组,在此期间,几乎所有现代动物的主要群体都可以在这里找到祖先,如同平地惊雷般地出现了,这个“爆炸”被称为“寒武纪大爆发”。

但是,对于威廉姆森而言,并没有出现令人信服的证据显示史前生物出现了重大且快速的杂交时代。但是生物学家古尔德注意到,在一些布尔吉斯页岩地区确实存在着具有特殊结合功能的物种出现,通常是几种不同的物种。英国剑桥大学生物学家西蒙康威莫里斯(Simon Conway Morris)认为:在寒武纪物种统计上,有一个非常奇特的生物,它的头部类似于节肢动物,但是它的腹部却是属于另外一个完全不同的门类。

对此,威廉姆森在他的一篇论文中提出,动物身体结构主要组成部分的异同是由于它们在幼虫时期已经通过杂交转移,这就导致了身体各部分有些与此门类相似,有些则不同。奇幻般的外表之下,隐藏着杂交转移的现象。事实上,威廉姆森更进一步指出,这个变化可追溯到寒武纪时期,正是大量生物在寒武纪爆发出快速演变的现象,导致了许多由于这个原因而产生的杂交转移,只是我们还没了解到这些杂交发生到了何种程度,这个发现对现代动物门类的起源存在惊人的暗示。

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